基于Abaqus對比計算下楊莊閘加固墩體型設(shè)計方案分析研究

胡志浪，謝昌原

（1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇淮安 223005；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇南京 210000）

水工設(shè)施的安全運(yùn)營離不開結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性設(shè)計，針對水工結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計［1-2］，有助于提升水利設(shè)施運(yùn)營年限及運(yùn)營效率，推動工程更長久化運(yùn)營發(fā)展。當(dāng)前，賈旺等［3］、沈衛(wèi)［4］、段淇元等［5］根據(jù)水工模型實(shí)驗理論，設(shè)計溢洪道、壩體及消力池等水工結(jié)構(gòu)的模型試驗，以對比模型試驗結(jié)果作為水利工程設(shè)計優(yōu)化的重要載體，為提高工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供了重要依據(jù)。當(dāng)然，基于已有工程的監(jiān)測分析［6-7］，進(jìn)而為擬建工程設(shè)計提供參考，此也是一項重要設(shè)計優(yōu)化的措施，對已有工程運(yùn)營過程中的細(xì)觀數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)判工程失穩(wěn)前兆，為工程建設(shè)提供衡量標(biāo)準(zhǔn)。模型試驗成本較高，而已有工程的監(jiān)測勢必耗時周期較長，不利于工程快速化設(shè)計進(jìn)程，因而數(shù)值仿真計算逐步應(yīng)用，基于Abaqus［8］、ANSYS及COMSOL［9］等仿真平臺建立計算模型，通過對不同設(shè)計方案的計算模型對比分析，進(jìn)而評價最適宜于工程的最優(yōu)方案。本文根據(jù)楊莊閘墩體放大增強(qiáng)體加固設(shè)計方案優(yōu)化問題，利用仿真平臺計算分析了不同設(shè)計方案的差異性，為工程建設(shè)提供重要基礎(chǔ)評價依據(jù)。

1 工程仿真概況

1.1 工程概況

楊莊閘乃是淮安西郊重要水利控制樞紐，設(shè)計為控制入?？诘乃O(shè)施，最大泄流量設(shè)計750 m3/s，采用多孔式泄洪工作模式，單孔寬度為10 m，閘頂高度為5.1 m，總寬為67.7 m，閘室內(nèi)總長為89.4 m，上游迎水側(cè)水位設(shè)計為15 m。楊莊閘兩側(cè)建設(shè)有擋土邊墻，高度為6.6 m，采用水工預(yù)制拼裝式擋土墻結(jié)構(gòu)體型，箱涵厚度為0.6 m，設(shè)計最大土壓力為2.5 MPa，承受最大沉降變形為12.5 mm，有效保證楊莊閘室兩側(cè)土體穩(wěn)定性。楊莊閘室基礎(chǔ)采用板樁基礎(chǔ)，其中在底板處設(shè)置有760根杉木樁，經(jīng)樁基礎(chǔ)測試表明，各樁工作狀態(tài)較好，無顯著缺陷。閘體下游建設(shè)有消力池，坎高為0.45 m，共有4個消力坎，有效降低下游水工設(shè)施受水力沖刷影響，池內(nèi)動水壓強(qiáng)穩(wěn)定在30 kPa以內(nèi)，流速較穩(wěn)定，最大流速不超過0.45 m/s，無紊流、渦流集中現(xiàn)象，表明楊莊閘控制區(qū)域滲流活動較佳，特別是邊墻內(nèi)滲透坡降最低僅為0.02，防滲效果較佳。楊莊閘溢流堰頂高程為8.5 m，順下游水流方向底板長度為16.6 m，閘室設(shè)計有墩體結(jié)構(gòu)，其頂部高程為16.5 m，厚度為1 m，與閘體底板兩側(cè)相接觸。由于楊莊閘所在位置為交通要道，因而在楊莊閘頂建設(shè)有交通橋，采用單向車道硬化路面設(shè)計，寬度為4 m；另一方面，楊莊閘具有農(nóng)田灌溉用水調(diào)度、防洪排澇作用，年最大調(diào)度農(nóng)業(yè)用水超過250萬m3，惠及農(nóng)田面積超過10.67萬hm2。閘室控制水流采用弧形鋼閘門，直徑為2.2 m，采用啟閉機(jī)控制閘門開度，確保上游水流流量與下游設(shè)施承受能力相匹配。

由于楊莊閘在淮河入海處控制水流作用較顯著，但其修建年代在1936年，運(yùn)營年限較長，局部水利結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重，極大限制了楊莊閘的泄流、調(diào)度水資源能力，特別是其上游泄洪流量相比設(shè)計之初增長較大，最大泄流量甚至可達(dá)700 m3/s，其要求最高防洪水位應(yīng)達(dá)到16.43 m，此對楊莊閘結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性帶來較大挑戰(zhàn)。為此，工程管理部門考慮對楊莊閘進(jìn)行加固升級，提升楊莊閘在復(fù)雜工況運(yùn)營下靜、動力安全穩(wěn)定性。從楊莊閘設(shè)計現(xiàn)狀出發(fā)，對閘室墩體進(jìn)行加固，特別是對墩體與閘室相交處采用增設(shè)局部放大體方案，根據(jù)已有研究表明，增強(qiáng)墩體的存在可提升結(jié)構(gòu)體系靜力、動力穩(wěn)定性。因而，本文重點(diǎn)探討楊莊閘增設(shè)局部放大增強(qiáng)體設(shè)計方案對結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性影響，進(jìn)而確定最優(yōu)設(shè)計方案。

1.2 工程建模

根據(jù)楊莊閘設(shè)計平面圖，經(jīng)簡化獲得閘室設(shè)計立面圖，如圖1所示，增強(qiáng)體分左、右兩側(cè)，分別與墩體與閘室相交界面，本文為設(shè)計方便，綜合認(rèn)為左、右側(cè)增強(qiáng)體截面尺寸為一致，故僅探討單一改變一側(cè)增強(qiáng)體截面尺寸設(shè)計方案（長度L、寬度H），對結(jié)構(gòu)體系靜力特征影響。

圖1 閘室設(shè)計立面

利用Abaqus仿真計算平臺建立楊莊閘有限元計算模型，如圖2所示，該模型包括有增強(qiáng)體與墩體，且增強(qiáng)體附著于墩體，經(jīng)Abaqus四邊形網(wǎng)格劃分［10-11］，共獲得微單元92 658個，節(jié)點(diǎn)數(shù)78 922個，閘頂與閘室結(jié)構(gòu)均按照實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型建立，服從彈塑性變形模型，墩體物理力學(xué)參數(shù)及設(shè)計尺寸按照實(shí)際設(shè)定。本模型中外荷載主要包括有結(jié)構(gòu)自重、上游靜水壓力及泥沙上揚(yáng)壓力等，模型靜力場影響范圍設(shè)定為上、下游各40 m，閘室底部土層影響深度為20 m。所建立的楊莊閘室模型頂部為水平向變形約束，而閘室底部為零自由度體系，墩體增強(qiáng)體附近均為法向限制變形條件。為方便分析，本文設(shè)定計算模型的X、Y、Z正向分別為順?biāo)飨掠?、閘體豎直向上及閘門右岸向。基于墩體局部增設(shè)放大體的加固設(shè)計方案，探討該放大增強(qiáng)體截面尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性影響，進(jìn)而確定最優(yōu)設(shè)計方案。

圖2 節(jié)閘門整體模型

2 加固墩體型尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響

為研究墩體增設(shè)放大體后結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響特征，根據(jù)放大增強(qiáng)體截面尺寸關(guān)系，按照墩體厚度1 m現(xiàn)狀，統(tǒng)一設(shè)定截面寬度為1 m，而截面長度按照寬度的0.5倍（0.5 m）、1倍（1 m）、1.5倍（1.5 m）、2倍（2 m）、2.5倍（2.5 m）及3倍（3 m）進(jìn)行對比分析，典型設(shè)計方案如圖3所示?；诓煌庸潭赵鲈O(shè)體截面尺寸設(shè)計方案，研究結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力與其截面寬度參數(shù)關(guān)系，并以楊莊閘體的3個特征部位作為重點(diǎn)分析對象，分別為加固墩體內(nèi)、外側(cè)面及連接梁部位，所在位置如圖4所示。

圖3 增強(qiáng)體典型設(shè)計方案

圖4 閘體關(guān)鍵部位示意

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)對不同設(shè)計方案的應(yīng)力計算，獲得放大增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)與結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力關(guān)系，如圖5所示。從圖中可知，楊莊閘體3個關(guān)鍵部位中拉應(yīng)力最大乃是墩體內(nèi)側(cè)面，在增強(qiáng)體寬度為0.5 m時，墩體內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力可達(dá)4.79 MPa，而外側(cè)面、連接梁兩部位最大拉應(yīng)力與之相比，減少了22.4%、74.1%；從整體6個設(shè)計方案對比可知，墩體內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力分布在1.38～4.79 MPa，而外側(cè)面、連接梁兩部位與前者的差幅分別可達(dá)19.4%～36%、30.4%～74.1%。由此可知，控制墩體內(nèi)側(cè)面拉應(yīng)力乃是結(jié)構(gòu)體系安全穩(wěn)定的關(guān)鍵，重點(diǎn)針對墩體內(nèi)側(cè)面加強(qiáng)配筋布置及增強(qiáng)剛度，提升該部位處抗拉特性［12-13］。

圖5 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與增強(qiáng)體截面參數(shù)關(guān)系

分析增強(qiáng)體截面寬度對結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力影響可知，墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力隨截面寬度參數(shù)為先減后增變化，即墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力受寬度參數(shù)影響具有抑制區(qū)間與促進(jìn)區(qū)間，在寬度2 m時墩體外側(cè)面最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，而寬度為1.5 m、2.5 m、3 m時，其最大拉應(yīng)力較前者分別增大了50.3%、70.9%、187.1%，即增強(qiáng)體截面寬度為0.5～2 m區(qū)間時，最大拉應(yīng)力為減少態(tài)勢，當(dāng)寬度增長0.5 m，平均可導(dǎo)致墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力分別減少33.1%、33.3%，而寬度在2～3 m區(qū)間時，墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力平均分別增長71.2%、69.4%；分析表明墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力受截面寬度參數(shù)影響，具有拉應(yīng)力最低值，乃是寬度2 m方案。與前兩關(guān)鍵部位不同的是，連接梁最大拉應(yīng)力受截面寬度參數(shù)影響較小，6個設(shè)計方案中其最大拉應(yīng)力最大變幅僅為15.8%，分布為0.96～1.24 MPa，均未超過結(jié)構(gòu)材料安全允許值，故選擇寬度參數(shù)時優(yōu)先考慮墩體內(nèi)、外側(cè)面所受影響。綜合3個關(guān)鍵部位拉應(yīng)力表現(xiàn)可知，當(dāng)截面寬度未2 m時，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計最優(yōu)。

2.2 壓應(yīng)力特征

壓應(yīng)力也是反映結(jié)構(gòu)體系安全穩(wěn)定性的重要參數(shù)，根據(jù)仿真計算獲得了增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)與關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化關(guān)系，如圖6所示。依據(jù)圖中壓應(yīng)力特征可知，閘體上最大壓應(yīng)力位于連接梁部位，各設(shè)計方案中其值分布為10.24～12.1 MPa，在寬度0.5 m時連接梁最大壓應(yīng)力為11.68 MPa，而墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力相比前者分別減少了56.7%、44.1%，而從整體變幅亦可知，墩體內(nèi)、外側(cè)面與之差幅分別為21.9%～56.7%、5.6%～44.1%，即連接梁部位受預(yù)壓效果較好，抗傾覆穩(wěn)定性較佳。當(dāng)增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)增長時，墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力變化特征與其拉應(yīng)力特征呈相反態(tài)勢，即先增后減變化，以寬度2 m設(shè)計方案為壓應(yīng)力最大。在寬度2 m時墩體內(nèi)側(cè)面最大壓應(yīng)力為9.29 MPa，而寬度0.5 m、1.5 m、3 m時最大壓應(yīng)力較前者分別減少了44.7%、13.1%、28%，當(dāng)寬度位于0.5～2 m區(qū)間，墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力隨寬度參數(shù)遞增，分別具有平均增幅21.9%、19.3%，而寬度超過2 m后，最大壓應(yīng)力降低，又分別具有平均降幅14.9%、13.8%，故應(yīng)控制增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)位于壓應(yīng)力增長區(qū)間。連接梁與之有所不同，其最大壓應(yīng)力在寬度為2 m前，基本保持不變，穩(wěn)定在11.8 MPa左右，而增強(qiáng)體截面寬度超過2 m后，連接梁最大壓應(yīng)力隨之稍有降幅，寬度2.5 m、3 m時最大壓應(yīng)力相比前一穩(wěn)定區(qū)間壓應(yīng)力值分別降低了5.8%、13.3%。綜合壓應(yīng)力特征可知，當(dāng)增強(qiáng)體截面寬度為2 m時，不僅滿足墩體內(nèi)、外側(cè)面壓應(yīng)力遞增區(qū)間要求，且連接梁壓應(yīng)力此時還處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系抗滑移、抗傾覆效果均最優(yōu)。

圖6 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力與增強(qiáng)體截面參數(shù)關(guān)系

3 加固墩體型尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)位移影響

3.1 位移影響特征

根據(jù)對各增強(qiáng)體截面尺寸參數(shù)設(shè)計方案位移計算，獲得寬度參數(shù)影響下的墩體內(nèi)、外側(cè)面及連接梁上位移變化特征，如圖7所示。從圖中可知，內(nèi)、外側(cè)面Z向最大負(fù)位移隨寬度參數(shù)均為遞減，特別是在寬度參數(shù)0.5～2 m區(qū)間內(nèi)，當(dāng)寬度增大0.5 m，該區(qū)間內(nèi)墩體內(nèi)、外側(cè)面最大負(fù)向位移平均降低15.9%、17.5%；而寬度參數(shù)超過2 m后，其負(fù)向位移降幅有所減小，寬度遞增0.5 m，位移最大降幅僅為1.7%、2.3%。連接梁最大負(fù)向位移受寬度參數(shù)影響減小，各方案中最大負(fù)向位移變幅較小，各方案間負(fù)向位移最大變幅僅為3.2%，表明優(yōu)化增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)，重點(diǎn)在于評價其對墩體內(nèi)、外側(cè)面位移影響。

圖7 關(guān)鍵部位負(fù)向位移與增強(qiáng)體截面參數(shù)關(guān)系

3.2 位移分布特征

為確定增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)對結(jié)構(gòu)位移影響，給出典型設(shè)計方案下墩體內(nèi)側(cè)面位移分布特征，如圖8所示。由于墩體內(nèi)側(cè)面負(fù)向位移的產(chǎn)生根源來自結(jié)構(gòu)體系中張拉應(yīng)力，因而分析結(jié)構(gòu)上負(fù)向位移分布演化特征［14-15］，對評價增強(qiáng)體截面設(shè)計最優(yōu)方案具有重要意義。從圖8中可知，各設(shè)計方案中負(fù)向位移均集中在墩頂處，位移分布面積在3個方案中基本接近，但位移分布量值具有顯著差異，在增強(qiáng)體截面寬度為0.5 m時，其負(fù)向位移分布區(qū)間集中在1.9～3.31 mm，而在寬度為1 m、1.5 m時，負(fù)向位移分布區(qū)間分別為1.79～3.18 mm、1.72～3.08 mm，表明增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)對結(jié)構(gòu)體系上負(fù)向位移分布無較大影響，但對分布量值具有顯著影響。綜合討論認(rèn)為，當(dāng)增強(qiáng)體截面寬度2 m時，應(yīng)力、位移特征均處于較安全狀態(tài)，滿足最優(yōu)設(shè)計方案要求。

圖8 墩體內(nèi)側(cè)面位移分布特征

4 結(jié)語

（1）閘體關(guān)鍵部位中拉應(yīng)力最大為墩體內(nèi)側(cè)面，外側(cè)面、連接梁兩部位與前者差幅分別可達(dá)19.4%～36%、30.4%～74.1%；墩體內(nèi)、外側(cè)面最大拉應(yīng)力受寬度參數(shù)影響具有抑制區(qū)間與促進(jìn)區(qū)間，分別為0.5～2 m與2～3 m區(qū)間，寬度2 m方案拉應(yīng)力最低；連接梁最大拉應(yīng)力受截面寬度參數(shù)影響較小。

（2）閘體上最大壓應(yīng)力位于連接梁；墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力以寬度2 m設(shè)計方案為最大，在寬度0.5～2 m區(qū)間墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力分別具有平均增幅21.9%和19.3%，而在寬度2～3 m區(qū)間，分別具有平均降幅14.9%和13.8%；連接梁最大壓應(yīng)力在寬度參數(shù)2 m前均穩(wěn)定在11.8 MPa左右，而超過2 m后為降低。

（3）墩體內(nèi)、外側(cè)面Z向最大負(fù)位移隨增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)均為遞減，但降幅在寬度2 m后減緩；連接梁負(fù)向位移受寬度參數(shù)影響較??；寬度參數(shù)對結(jié)構(gòu)體系上負(fù)向位移分布無較大影響，主要影響負(fù)向位移分布量值。

（4）綜合應(yīng)力、位移特征對比，認(rèn)為增強(qiáng)體截面寬度參數(shù)2 m時為最優(yōu)設(shè)計方案。